Metabolism bazal
Avem nevoie de un aport constant de energie alimentară pentru a menține funcționarea organelor interne și pentru a ne permite să ne mișcăm - aceasta se numește metabolismul nostru bazal.
Pentru mamifere, Mb ≈ 50 (A/m 2) W; pentru oameni, suprafața A ≈ 1,7 m 2, adică.
85 W pentru dormit
Mers rapid sau cu bicicleta (20 km/h): M
100 - 150 W (2000 - 3000 kcal/zi)
De unde vine această energie?
Cea mai mare parte a energiei necesare pentru agricultură provine din lumina soarelui, nu? Gresit. Cea mai mare parte a energiei provine din arderea petrolului.
Conținutul de energie utilizabil al cărnii de vită și pâine este de aproximativ 2500 kcal/kg sau 10 MJ/kg (+/- 30%). Pentru pui și pește, numărul este de aproximativ jumătate din [1] Calorii și substanțele nutritive din carne de vită, https://www.freedieting.com/calories-in-meat [2019-10-04]. [2] Peter Rez, Fizica simplă a utilizării energiei, Oxford UP 2017.
În general, pentru o dietă tipică occidentală, raportul dintre energia încorporată a alimentelor și energia dietetică din alimente $ r $ este de aproximativ 6, adică pentru fiecare joule (sau calorii) de energie dietetică, au fost arși șase jouli (sau calorii) de ulei. Raportul legumelor este, în general, mai favorabil; asta pentru carne (în special carnea de vită) este mult mai rău. Cu toate acestea, imaginea este complicată, după cum se poate observa dintr-un studiu britanic realizat de David Coley și colab. [3] Coley, D., Goodliffe, E. și Macdiarmid, D. (1998) Energia încorporată a alimentelor: rolul dietei, politica energetică, 6, 455–459. [\ Notă]:
- Fasole la cuptor $ r \ approx 10 $
- Cârnați $ r \ aproximativ 10 $
- Iaurt $ r \ approx $ 9
- Carne de vită $ r \ approx $ 8
- Carne de porc $ r \ aproximativ $ 6
- Ouă $ r \ aproximativ $ 6
- Paste $ r \ aproximativ $ 4
- Orez $ r \ approx $ 3
- Lapte $ r \ aproximativ $ 3
- Cartofi $ r \ approx $ 2
- Pâine $ r \ approx $ 1
Rețineți, totuși, că aceste cifre sunt foarte variabile, în funcție de circumstanțe.
Dar animalele?
Rata metabolică, $ \ Gamma $, pentru animale este legată de masa animalului prin Eqn.1:
O astfel de relație în care o proprietate fizică a unui animal se ridică cu masa la o anumită putere care nu este unitate se numește relație alometrică [4] Ahlborn, Zoological Physics, p.12-16, Springer, 2004. Este evident că un elefant care este mare și consumă cantități mari de alimente va avea o rată metabolică mai mare decât un șoarece care este mult mai puțin masiv și consumă mult mai puțin. Având în vedere, totuși, rata metabolică pe unitate de masă a acestor animale (ecuația 2):
descoperim că pentru a se întreține un elefant are nevoie de mai puțină energie pe unitate de masă decât un șoarece. Acest lucru explică de ce, chiar dacă elefanții mănâncă o cantitate mai mare de alimente în comparație cu șoarecii, șoarecii trebuie să mănânce mai mult în comparație cu greutatea corporală decât elefanții. Scopul nostru este de a înțelege modul în care pierderea de căldură contribuie la faptul că animalele mai mici au o rată metabolică mai mare pe unitate de masă decât animalele mai mari.
După cum sa menționat, o parte din energia generată în interiorul unui animal se transformă în căldură care este radiată prin suprafața animalului. Rata pierderii de căldură este proporțională cu suprafața, în timp ce masa unui animal este proporțională cu volumul său. Rata la care se radiază căldura pe unitate de masă este apoi proporțională cu suprafața pe unitate de volum.
Pentru simplitate, dacă luăm un animal ca fiind sferic cu raza, $ r $, atunci putem raporta pierderea de căldură pe unitate de masă la dimensiune (Ec. 3):
Pe măsură ce animalele cresc în mărime, rata pierderii de căldură pe unitate de masă scade și este necesară mai puțină energie pentru a susține animalul pe unitate de masă. Ar putea părea un avantaj evident atunci să fii un animal mare. Cu toate acestea, animalele mari consumă în continuare mai multă energie decât animalele mai mici, astfel încât să aibă nevoie de mai multă hrană. Dacă hrana nu este abundentă, animalele mai mari nu se pot întreține singure [5] Ahlborn, Zoological Physics, p.12-16, Springer, 2004 .
În concluzie, animalele mai mari au o pierdere de căldură mai mică pe unitate de masă și necesită mai puțină hrană pe unitate de masă, chiar dacă mănâncă cantități mai mari decât animalele mai mici.
Cât timp trebuie să merg cu bicicleta pentru a arde o gogoasă? Acest exemplu analizează relația dintre exercițiul fizic și consumul de calorii.
În articolele din reviste și pe web, găsiți adesea numere referitoare la exerciții și consumul de calorii. În acest exemplu, vom explora de unde provin numerele.
De exemplu, descoperiți că o persoană de 68 kg care merge cu bicicleta la 15 km/h timp de o oră arde aproximativ 400 de calorii [6] Multe resurse bazate pe web. Vezi, de exemplu: www.dietandfitnesstoday.com sau www.nutristrategy.com, [7] Knight, Jones, Field, „College Physics: a strategic approach”, ediția I, p. 339, Pearson Addison-Wesley (2007) (corespunzând la aproximativ 1,5 - 2,0 gogoși [notă] Informații nutriționale Tim Hortons, https://www.timhortons.com/ca/en/menu/nutrition-and-wellness.php [2019 -10-16].). Sa verificam.
Calculul nostru se bazează pe principiul că energia din alimente este ca alte forme de energie, deci poate fi transformată în energie mecanică. Cu toate acestea, la fel ca alte motoare din viața reală, corpul nostru nu poate transfera 100% din energia chimică din alimente în energie mecanică (mișcare). Avem nevoie de doi biți suplimentari de informații: cantitatea de energie pe care corpul o consumă în perioadele sedentare (de obicei 100 W; aceasta este cea mai mare parte necesară pentru a menține funcționarea organelor interne) și eficiența transformării energiei chimice în energie mecanică (aproximativ 25%) . Cele două numere date mai sus variază oarecum în funcție de persoană și activitate, dar pot fi folosite în mod convenabil pentru a obține o estimare bună.
Deci, de ce bicicletele consumă energie, chiar și pe un drum plat și într-o zi fără vânt? Trebuie să depășiți fricțiunea de rulare și rezistența la aer, deoarece viteza relativă a vântului este de 15 km/h.
- drum nivelat, fără vânt (viteza relativă a vântului = 15 km/h)
- 68 kg persoană plus 10 kg bicicletă
- frecare de rulare: cauciuc pe beton: μr = 0,02 (tabelul 5.1 [valoarea fn = 2] [/ fn]).
- Forța datorată tragerii aerului: FD = ¼ ρ A v 2, cu densitatea aerului ρ = 1,28 kg/m 3
(Ecuația simplificată de mai sus rezultă din formula mai generală pentru tragerea aerului FD = ½ ρ CD A v 2 utilizând CD = 0,5, care este tipic pentru obiecte în mișcare de zi cu zi.)
Trebuie să estimăm zona frontală A a persoanei (+ bicicletă)
A = (1,5 m) · (0,6 m) = 0,9 m 2 .
v = 4,2 m/s, deci distanța parcursă este d = 4,2 m în fiecare secundă.
Deci F = 5,1 N și munca realizată este W = F d = 21 J, deci P = 21 W
- Frecare la rulare: fr = μrm g = (0,02) · (68 kg + 10 kg) · (9,8 m/s 2) = 15,3 N,
deci lucrarea efectuată prin frecare prin rulare este W = (15,3) · (4,2 m) = 64 J și puterea corespunzătoare este P = 64 W.
- Așadar, avem nevoie de un total de 85 W putere mecanică pentru a ne menține viteza.
- Acum vrem să raportăm acest lucru la puterea metabolică totală. Trebuie să ne multiplicăm rezultatul cu 4 și să adăugăm 100 W pentru a ne explica eficiența și energia consumată de organele noastre interne. Rezultat = 440 W.
- În cele din urmă, trebuie să efectuăm o conversie a unității pentru a raporta rezultatul nostru cu caloriile alimentare: 1 Cal = 1 kcal = 4200 J.
- 440 W = 440 J/s corespund (440 J/s) · (3600 s/h) = 1,58 MJ/h sau 377 Calorii arse într-o oră.
- Vă puteți completa energia mâncând aproape două gogoși (62 g fiecare) sau șase timbiți (17 g fiecare).
Interpretare:
Rezultatul nostru se apropie de valoarea publicată, arătând că consumul de calorii în ciclism se datorează în principal depășirii rezistenței la aer și fricțiunii de rulare.
În cele din urmă, cât timp va trebui cineva să se deplaseze cu bicicleta pentru a arde mâncând o gogoasă? O gogoasă glazurată cu ciocolată de la Tim Horton’s are 260 de calorii și are 70 g. Dacă mănânci unul, îți va lua (260 Cal) (1 h/377 Cal) (60 min/h) = 41 min de mers cu bicicleta la 15 km/h pentru a-l arde.
Actualizat (CEW) 2019-10-16
| 1. | ↑ | Calorii și nutrienți din carne de vită, https://www.freedieting.com/calories-in-meat [2019-10-04]. |
| 2. | ↑ | Peter Rez, Fizica simplă a utilizării energiei, Oxford UP 2017. |
| 3. | ↑ | Coley, D., Goodliffe, E. și Macdiarmid, D. (1998) Energia încorporată a alimentelor: rolul dietei, politica energetică, 6, 455–459. [\ Notă]: |
- Fasole la cuptor $ r \ approx 10 $
- Cârnați $ r \ aproximativ 10 $
- Iaurt $ r \ approx $ 9
- Carne de vită $ r \ approx $ 8
- Carne de porc $ r \ aproximativ $ 6
- Ouă $ r \ aproximativ $ 6
- Paste $ r \ aproximativ $ 4
- Orez $ r \ approx $ 3
- Lapte $ r \ aproximativ $ 3
- Cartofi $ r \ approx $ 2
- Pâine $ r \ approx $ 1
Rețineți, totuși, că aceste cifre sunt foarte variabile, în funcție de circumstanțe.
Dar animalele?
Rata metabolică, $ \ Gamma $, pentru animale este legată de masa animalului prin Eqn.1:
descoperim că pentru a se întreține un elefant are nevoie de mai puțină energie pe unitate de masă decât un șoarece. Acest lucru explică de ce, chiar dacă elefanții mănâncă o cantitate mai mare de alimente în comparație cu șoarecii, șoarecii trebuie să mănânce mai mult în comparație cu greutatea corporală decât elefanții. Scopul nostru este de a înțelege modul în care pierderea de căldură contribuie la faptul că animalele mai mici au o rată metabolică mai mare pe unitate de masă decât animalele mai mari.
După cum sa menționat, o parte din energia generată în interiorul unui animal se transformă în căldură care este radiată prin suprafața animalului. Rata pierderii de căldură este proporțională cu suprafața, în timp ce masa unui animal este proporțională cu volumul său. Rata la care radiați căldura pe unitatea de masă este apoi proporțională cu suprafața pe unitate de volum.
Pentru simplitate, dacă luăm un animal ca fiind sferic cu raza, $ r $, atunci putem raporta pierderea de căldură pe unitate de masă la dimensiune (ecuația 3):
În concluzie, animalele mai mari au o pierdere de căldură mai mică pe unitate de masă și necesită mai puțină hrană pe unitate de masă, chiar dacă mănâncă cantități mai mari decât animalele mai mici.
Cât timp trebuie să merg cu bicicleta pentru a arde o gogoasă? Acest exemplu analizează relația dintre exercițiul fizic și consumul de calorii.
În articolele din reviste și pe web, găsiți adesea numere referitoare la exerciții și consumul de calorii. În acest exemplu, vom explora de unde provin numerele.
- Dillons Food Stores - Quaker Chewy Dipps Sloth-Tastic Vanilla Cream Granola Bars, 6 ct oz
- Mâncare bună vs.
- Calorii goale arse de Centriair - Deșeuri energetice în procesarea alimentelor - Centriair
- Centrul pentru nutriție; Naveta Inter-Faith Food
- Planul de afaceri al magazinului de alimente gourmet - Rezumat